Николай Гондатти родился в 1860 году в Москве в семье итальянского профессионального скульптора Людвига Гондатти и русской дворянки из Тулы.
В 15 лет Николай поступил в Нижегородский Александровский институт, представлявший в тот момент среднее учебное заведение с классическим гуманитарным образованием. В 1881 году окончил его с золотой медалью.
Затем Николай поступил в Московский университет на естественно-историческое отделение физико-математического факультета. Первым исследованием, которым занялся будучи студентом, было систематическое наблюдение за медоносными растениями. Ему удалось привлечь к этому делу многих пчеловодов, которые присылали Гондатти свои наблюдения и образцы растений (1882–1883).
Вскоре от пчеловодства он перешел к антропологии и более шести лет, начиная с 1883 года, был секретарем антропологического отдела Императорского общества любителей естествознания, антропологии и этнографии(ИОЛЕАЭ), с 1894 года одновременно являясь секретарем Антропологического общества.
Николай Гондатти деятельно участвовал в работе многих научных обществах России. В 1884 году он стал членом-сотрудником Императорского Русского общества акклиматизации животных и растений (ИРОАЖР), по заданию которого совершил поездку в Тверскую губернию. Почти в то же время стал секретарём антропологического отдела ИОЛЕАЭ. Антропологией Николай занимался под руководством академика Д. Н. Анучина.
По предложению Анучина Гондатти стал готовиться в экспедицию на север по изучению жизни коренных народностей. Весной 1885 года в 24 года Николай Гондатти окончил Московский университет. Тогда же Комитет для устройства в Москве Музея прикладных знаний и Общество любителей естествознания антропологии и этнографии командировали молодого ученого в Пермскую губернию и Северо-западную Сибирь для специальных антропологических и этнографических исследований, а также для сбора коллекций, характеризующих местную промышленность и домашний быт населения. Поездка началась в июне 1885 года и длилась 11 месяцев. В этом путешествии он побывал на северных притоках Оби, осмотрел Урал севернее Печоры.
Для путешествий по безлюдной тундре Гондатти выбрал самый лучший способ – кочевать на оленях вместе с коренными жителями. Он побывал на их ярмарках, участвовал в праздниках, собрал интереснейшие сведения, которые были неизвестны науке, добыл уникальные музейные коллекции. Им было обращено особое внимание на вогулов (манси). За время экспедиции он овладел искусством управления обласком — одиночной лодкой, собраз 321 предмет быта хантов, ненцев, манси и других народов.
15 октября 1886 года Общество любителей естествознания, антропологии и этнографии присудило Николаю Гондатти золотую медаль за экспедицию в Северную Сибирь, для выполнения которой «требовалось много энергии, терпения и трудолюбия и которая дала весьма ценные результаты этнографические и антропологические, как в доставленных им коллекциях, так и в массе собранных наблюдений над бытом остяков, вогулов и самоедов».
Некоторое время занимался изучением шелководства в России. В январе 1885 года он стал действительным член комитета шелководства Московского общества сельского хозяйства, а уже на следующий год - секретарем комитета. Тогда же, в 1886 году, его командировали на юг России с посещением немецких поселений Таврической губернии для ознакомления с состоянием и нуждами местного шелководства и приготовления целлюлярной грены.
В октябре 1887 году Гондатти стал действительным членом Императорского Русского Географического общества. Он начал дополнительно изучать литературу по археологии, получал консультации ведущих специалистов. В октябре того же года Гондатти был избран член-корреспондентом Московского археологического общества и членом его Восточной комиссии. Тогда же это общество командировало его в Казанскую, Вятскую, Пермскую и Уфимскую губернии для производства археологических работ и раскопок курганов, городищ и древних кладбищ.
Помимо научной работы молодой учёный преподавал в гимназии. С 1 августа 1887 года он преподавал естествознание в Московском училище ордена Святой Екатерины. На следующий год Гондатти стал учителем географии и естествознания Московского Александровского училища.
В 1888 году Николай был избран членом-корреспондентом Антропологического общества в Париже.
В 1889 году в Париже состоялся Международный конгресс по географии, антропологии и доисторической археологии. Одним из самых деятельных его участников стал Николай Гондатти, выступивший с блестящим докладом.
В 1890 году он предпринял поездку в Туркестан, а затем в Китай, где ознакомился с производством чая, потом в Японию и Северную Америку.
В 1892 г. предпринимал поездку в Анадырский край, с каковой целью принимает на себя пост начальника Анадырского края. В 1894 г. по приглашению Приамурского генерал-губернатора С. М. Духовского он отправился на Чукотку в должности начальника Анадырского округа (1894—1897). В Анадыре Гондатти пробыл около 2 лет, произвел перепись населения чукчей и эскимосов, изучал их быт и язык. Из этой поездки он вывез обширные коллекции. Перейдя на службу заведующего переселенческим делом в Приморской области, Гондатти близко изучил переселенческий вопрос. За научные работы по антропологии, статистике и этнографии на Чукотке Академия наук присудила Гондатти большую золотую медаль им. академика Л. С. Берга. В 1897 г. С. М. Духовский предложил ему занять должность старшего чиновника особых поручений при Приамурском генерал-губернаторе.
В 1900 г. получил назначение правителем канцелярии иркутского генерал-губернатора.
Прибыл в Тобольск весной 1906 года и оставался на посту тобольского губернатора до осени 1908 года. Во время и после революции 1905—1907 гг. ему удавалось обеспечивать стабильность на вверенной ему территории. Активно занимался мероприятиями, направленными на развитие сельского хозяйства, принимал меры по защите интересов промышленности, совершенствованию страхования. При Н. Л. Гондатти Тобольская губерния являлась одной из самых благополучных в Российской империи.
26 (13) сентября 1908 года было объявлено, что тобольский губернатор камергер Гондатти перемещается на должность томского губернатора.
27 ноября собрание Тюменской городской Думы по предложению городского головы А. И. Текутьева единогласно избрало Николая Львовича почётным гражданином города Тюмени: «Только заботы его, светлый государственный ум и административный такт могли направить и привести к спокойствию и общему благу население Тобольской губернии, а в частности и Тюмени. Во время его управления как население губернии, так и Тюмень не испытывали тех бедствий, какие испытывали соседние губернии и города».
В конце мая в Тюмень пришло сообщение, что 1 мая 1909 года «Государь Император Всемилостивейшее соизволил присвоить бывшему Тобольскому губернатору, камергеру Высочайшего Двора Николаю Львовичу Гондатти звание „Почетный гражданин города Тюмени“.
При его участии в городе Томске открыты высшие женские курсы. В 1909 г. участвует в совещании в Петербурге о нуждах Сибири.
Почетный гражданин города Новосибирска. Звание присвоено 3 мая 1910 г. за многочисленные заслуги в деле оказания помощи городу при постигшем пожаре, 11 мая 1909 г.
Решением Томской городской Думы от 09.02.1911 Н. Л. Гондатти присвоено звание Почётного гражданина города Томска.
В 1910 г. назначен начальником амурской экспедиции. Амурская экспедиция под руководством Гондатти стала последней научной акцией дореволюционной России, причем результаты получились весьма значительные. На экспедицию казна отпустила 600 тысяч рублей. К сожалению, эта отлично организованная и экипированная экспедиция, вопреки ожиданиям, почти не повлияла на переселенческую политику царского правительства, хотя её труды (более 40 томов) были оперативно изданы.
На этом посту он много сделал для экономического, социального и культурного развития края, твердо отстаивал его от экспансии Японии и Китая. При Гондатти в Приамурском крае усилилась общественная деятельность, был учрежден заповедник „Кедровая падь“, в Хабаровске в 1914 году был открыт учительский институт, в селах строились школы. Особое внимание Гондатти уделял жизни коренного населения Приамурья, запретил продажу в стойбищах спиртных напитков. Он был непосредственным участником и главным радетелем строительства уникального моста через р. Амур и Амурской железнодорожной магистрали, благодаря которым Приамурский край преодолел свою изолированность и получил возможность стать частью экономической системы России. Ему удалось реализовать планы соединения Уссурийской железной дороги с Амурской железной дорогой с выходом на Забайкальскую железную дорогу. Он инициировал сооружение Владивостокского порта и расчистку устья Амура у Николаевска, всячески поощрял развитие торговли, промыслов, сельского хозяйства и промышленности. Твердо отстаивая экономическую независимость края от наседавших Японии и Китая, он вместе с тем был сторонником привлечения в край иностранного капитала. Вне его внимания не остались и такие жизненно важные вопросы, как развитие ветеринарной службы и становление метеослужбы в крае, организация широких землеустроительных работ и дачного поселка под Владивостоком, создание первого заповедника и отдела российского общества востоковедения. Будучи первым гражданским генерал-губернатором, к тому же обладавшим огромным интеллектуальным потенциалом, Н. Л. Гондатти оказал благотворное влияние на нравственную атмосферу в крае, на развитие здесь науки, образования, культуры. „Дорогой моему сердцу край“,— так он определил свое отношение к Приамурскому краю в одном из интервью газете. Действительно, он, как и Н. И. Гродеков, сердечно относился к краю, к его населению. Напряженных, плодотворных 16 лет он посвятил дальневосточной окраине России, пройдя путь от начальника приполярного округа — Чукотки — до высшего чина в местной административной бюрократии России — генерал-губернатора обширного и молодого края занимавшего чрезвычайно ответственное геополитическое положение. Для стиля работы генерал-губернатора были характерны инициативность, настойчивость в отстаивании интересов края перед правительством, изучение состояния дела на месте, требовательность к подчиненным. Доброжелательность и доступность привлекали к нему людей. Николай Львович обладал еще одним ценным качеством, без учета которого нельзя в полной мере понять многие его поступки — он был подвижником, то есть человеком, готовым ради общего блага совершить подвиг, способным ради важного для отечества дела переносить дискомфорт: терпеть лишения и физические перегрузки. Н. Л. Гондатти звание почетного гражданина города Хабаровска присвоено в 1911 г.
Карьера Гондатти закончилась в марте 1917 года с отречением Николая II от престола. Комитет общественной безопасности, избранный в Хабаровске, постановил арестовать Гондатти, как только тот на поезде прибудет из служебной командировки. Гондатти был арестован и отправлен под конвоем в Петроград, в Чрезвычайную комиссию по расследованию беззаконий и злоупотреблений, совершенных царскими министрами и крупными сановниками. Комиссия не нашла каких-либо серьёзных злоупотреблений властью со стороны Гондатти, и он был отпущен на свободу. В конце мая 1917 г. Гондатти ушел в отставку.
По приглашению Гельсингфорского университета (Хельсинки) он читал лекции по этнографии.
В городе Харбин с декабря 1918 г. В июле 1922 г. Приамурский земский собор выдвинул Гондатти на пост Временного правителя Приамурского государства, но Гондатти снял свою кандидатуру. Он уклонился от „сомнительного“, на его взгляд, сотрудничества с Меркуловыми. Доподлинно известно, что Гондатти отказался стать знаменем контрреволюции на Дальнем Востоке. В 1923 г., по требованию большевиков, арестован маньчжурскими властями. Под давлением Японии, большевики поместили его не в тюрьму, а в больницу. В Харбине работал вместе с Н.С.Свиягиным, с кем познакомился и работал еще в России. Оба скончались и похоронены в Харбине.
В справочнике „Весь Харбин“ за 1925 год сообщается, что Н. Л. Гондатти с 1918 года возглавляет научно-земельный отдел Китайско-Восточной железной дороги и снимает довольно скромную квартиру в угловом доме по Большому проспекту.
В Харбине Н. Л. Гондатти вёл активную общественную и научную работу. Он вскоре становится председателем ОРО (Общества русских ориенталистов), старейшего в Маньчжурии русского научно-исследовательского объединения, существовавшего с 1909 по 1927 гг. В 1920 г. был поднят вопрос об открытии в Харбине технического учебного заведения, так как КВЖД давно уже стремилось привлекать на работу технические кадры, в которых начала ощущаться острая нужда. Было организовано „Общество по учреждению Русско-китайского техникума в городе Харбине“, которое возглавил генерал-лейтенант Д. Л. Хорват, а председателем правления был назначен Н. Л. Гондатти. Занятия в новом учебном заведении начались 18 октября 1920 года. Техникум постепенно развивал свою техническую оснащённость и упрочил свой авторитет.
2 апреля 1922 г. русско-китайский техникум был преобразован в РКПИ (русско-китайский политехнический институт) — первое в Харбине высшее техническое учебное заведение. Основная тяжесть руководства реорганизацией этого вуза, переговоров с высшим руководством КВЖД и харбинскими общественными организациями относительно планов его будущего развития легла на плечи начальника Земельного управления КВЖД Н. Л. Гондатти, ставшего в 1923 г. председателем правления общества по учреждению РКПИ, а в дальнейшем Харбинского политического института.
С помощью Н. Л. Гондатти в Модяго в августе 1924 г. был заложен Казанско — Богородский мужской монастырь. В конце 1924 г. был председателем „Маньчжурского сельскохозяйственного общества“, ставившего своей главной задачей распространение сельскохозяйственных знаний и работу по улучшению местного животноводства и сельскохозяйственных культур Северной Маньчжурии. Таким образом, находясь в эмиграции, Н. Л. Гондатти занимал большие административные и общественные посты, делая всё возможное для блага русских людей, оказавшихся не по своей воле в чужой стране.
Умер Н. Л. Гондатти в Харбине в апреле 1946 г. Похоронен на Новом кладбище, которое до нашего времени не сохранилось. Хотя в Харбине еще живы люди, способные указать хотя бы приблизительное местонахождение могилы последнего генерал-губернатора Приамурья.
С 1914 по 1920 его именем (Гондатти) назывался город Шимановск — станция Амурской железной дороги, административный центр Шимановского района Амурской области.
В городе Тюмени есть улица Николая Гондатти, которая находится в новом районе города.
За службу Гондатти был награжден орденами Св. Владимира IV и III степеней, имел два ордена Св. Станислава, в том числе один — за изучение сибирских окраин, серебряную медаль в память Царствования Императора Александра III и бронзовую медаль За труды по первой Всеобщей переписи населения 1897 года. Кроме того, имел награды ряда иностранных государств: китайский орден Двойного Дракона, бухарский орден Золотой Звезды, французский Орден Почётного легиона.